华南理工大学半导体物理第六章课件

半导体物理第六章半导体表面及接触界面特性华南理工大学电子与信息学院蔡敏教授第六章半导体表面及界面特性•6.1半导体表面态•6.2表面电场效应•6.3空间电荷区的进一步分析•6.4金属与半导体接触的物理特性•6.5金属与半导体接触的电流-电压特性•6.6MIS结构的电容-电压特性半导体表面态•理想表面：表面层中原子排列的对称性与体内原子完全相同，且表面不附着任何原子或分子的半无限晶体表面。•晶体自由表面的存在使其周期场在表面处发生中断，同样也应引起附加能级。这种能级称作达姆表面能级。•在半导体表面，晶格不完整性使势场的周期性被破坏，在禁带中形成局部状态的能级分布（产生附加能级），这些状态称为表面态或达姆能级。•达姆能级：清洁表面的表面态所引起的表面能级，彼此靠得很近，形成准连续的能带，分布在禁带内。•从化学键的角度，以硅晶体为例，因晶格在表面处突然终止，在表面最外层的每个硅原子将有一个未配对的电子，即有一个未饱和的键，这个键称为悬挂键，与之对应的电子能态就是表面态。•表面缺陷、表面粘污、表面氧化层都可以形成表面能级。•实际表面由于薄氧化层的存在，使硅表面的悬挂键大部分被二氧化硅层的氧原子所饱和，表面态密度大大降低。•此外表面处还存在由于晶体缺陷或吸附原子等原因引起的表面态；这种表面态的数值与表面经过的处理方法有关。•由表面态（表面能级）的性质和费米能级的位置，它们可能成为施主或受主能级，或者成为电子－空穴对的复合中心。•半导体表面态为施主态时，它可能是中性的，也可能向导带提供电子后变成正电荷，表面带正电；若表面态为受主态，表面带负电。则表面附近可动电荷会重新分布，形成空间电荷区和表面势，而使表面层中的能带发生变化。测量表明硅表面能级分两组，一组是施主能级，靠近价带；一组位受主能级，靠近导带。Si（111）面上的表面态密度≈8×1014cm-2Si—SiO2交界面处，表面态密度≈1011cm-2第六章半导体表面及界面特性•6.1半导体表面态•6.2表面电场效应•6.3空间电荷区的进一步分析•6.4金属与半导体接触的物理特性•6.5金属与半导体接触的电流-电压特性•6.6MIS结构的电容-电压特性一、表面势以MIS（金属—绝缘体—半导体）电容器为例，金属空间电荷区很薄，可看成一层电荷，其面密度为Qsc，则：isciQ0di为氧化层厚度；xd为半导体空间电荷区厚度；Vs为表面势（即：半导体表面相对于体内的电势差）.GViGVxVVsViddxxMSI0金属和半导体中电荷分布情况不同二、能带的弯曲同。：载流子分布与体内不不变。电势变化的区域保持恒定，热平衡体系阱，空穴势垒；：能带向下弯，电子势垒，空穴势阱；：能带向上弯，电子势FEsVsV00能带弯曲xVeEEnn0xVsx0xVsx0cEFEiEvE电子势垒iEFEvEcE空穴势垒EEseVseVN型半导体P型半导体反型层表面态为受主态表面态为施主态三、载流子浓度的变化seVcEfE0iEvE0xN型半导体，表面态为受主态，Vs0)(xiE)()(0xVeEEii非简并时：kTEEnpkTEEnnfiiifiexpexp设内部电子、空穴浓度为n0，p0，本征费米能级为Ei0。所以，kTEEnpkTEEnnfiiifi0000expexpkTxeVnkTxeVkTEEnkTEEnnxeVEExVeEEifiifiiiii)(exp)(expexpexp)()()(0000所以，则低），则级的高为费米势（表示费米能，其中设同理ffifeEEkTxeVpp)()(exp00kTxVenpkTxVennkTenpkTennfifififiexpexpexpexp，，00。型半导体：；型半导体：00ffPN四、积累层，耗尽层和反型层MO型PGVS以理想MOS为例，衬底为P型。理想MOS：⒈金属与半导体不存在接触电势差（费米能级一致）；⒉氧化层中无电荷；⒊半导体与氧化层中无表面态（界面态）。cEiEfsEvEfME（a）平带（VG=0）Ｐ型样品衬底：a.平带：VG=0时，能带无弯曲，无空间电荷区；cEiEfsEvEfME（b）积累层（VG＜0）（Vs0）b.积累层：VG0时，电场由体内指向表面，能带向上弯曲，形成空穴势阱，多子空穴被吸引至表面附近，因而表面空穴浓度高于体内，形成多子积累，成为积累层。cEiEfsEvEfME（c）耗尽层（VG＞0）c.耗尽层：VG0时，表面处空穴被排斥走，当空穴势垒足够高时，表面层价带空穴极为稀少，可认为该层多子空穴被耗尽，称为耗尽层。cEiEfsEvEfME（d）反型层（VG＞0）d.反型层：若VG足够高，使得在表面处的少子电子浓度高于了多子空穴的浓度，则表面处导电类型就发生改变，称为反型层。①开始出现反型层的条件：cE0iEfEvEseVffisiiEEeVxVeEE001所以，)()(FiEE表面势＝费米势时反型层的条件：fsV②强反型层出现的条件（以MOS场效应晶体管的电导沟道为例）：Ｐ型衬底表面处的电子密度等于体内的空穴浓度时。cE0iEfEvEfEisEsfiiisfisnpkTEEnpkTEEnn000expexpfsfisissiisfisiffiisfVEEeVeVEEeEEeEEEE22120000，即：，所以由强反型层条件：fsV2第六章半导体表面及界面特性•6.1半导体表面态•6.2表面电场效应•6.3空间电荷区的进一步分析•6.4金属与半导体接触的物理特性•6.5金属与半导体接触的电流-电压特性•6.6MIS结构的电容-电压特性空间电荷区的进一步分析一、xd,Qsc随Vs变化的关系xd为空间电荷区宽度；Qsc为空间电荷区密度。⒈平带附近情况VG很小时，Qsc～Vs关系全部电离，则：为体内空穴浓度。杂质处空穴浓度；为数。为半导体的相对介电常为空间电荷密度；；0022PxxPdxVdrrkTxeVePxPPxPe/00时当；所以kTxeVxVkTPeeePkTxeV0201200222DrLxVxVkTPedxxVd所以，泊松方程为DDLxLxrDBeAexVePkTL，所以21200知：时，；时，由边界条件：sVxVxxVx0201..为表面势sLxsVeVxVDDLxseVkTePxxVkTeP2020所以LD为德拜长度，为了屏蔽外电场而形成的空间电荷区厚度。时，；；：估算时，；KTcmPLVeVLxPLrDsDD3001010101317140210sDrLDxsDrscscDDVLdxeVLdxQQcmcmLCcmVcmFL000205621193171414108.3102.1106.11010026.010/1085.8为：单位面积内的总电荷为几十至上千个原子层：：如：Vs0，则Qsc0；若Vs0，则Qsc0;荷区电容。积内半导体表面空间电表示平带附近，单位面DrL02.耗尽层近似P型样品，VG0时，出现耗尽层和反型层。当为耗尽层和弱反型层时，空穴基本全部丧失，电子增加又很少，因此可认为空间电荷区就等于离化了的受主负电荷，这种近似处理称为耗尽层近似。Na为受主杂质浓度；耗尽层内全部被电离。0dxxGVrdaxxssxeN0；dramdraxeNxxxeNx000dxxdVxdxxxVxVdxxd；取体内电势为零，即V（xd）=0，则2002xxeNdxxxeNxVdraxxdradV，0dxxsV2020drasxeNVVrascseNQV022所以；2102sardVeNx3.强反型层出现时：Vs=2Φf强反型层与体内之间夹着一层耗尽层，其宽度xd达到最大值。21021044fraBscfardeNQQeNx；max设杂质饱和电离：kTEEnNpfiia00expiafififfnNekTeEEEEeln00dadscexNxQ2102sraVeN；所以iafsnNekTVln222102120maxln4ln4iaraBsciaardnNekTNQQnNeNkTx；4.出现强反型层之后半导体表面的空间电荷区=强反型沟道中的电子电荷Qn+耗尽层中的电离受主电荷QBBnscQQQ宽度不变）基本不变（空间电荷区，，BnGQQV二、Vs和xd随VG变化的关系MOSQVVVVMisiG度，考虑理想为金属板上的电荷面密为氧化层上的压降；scMiMiiiiMiMiiiiiiMiQQCQVdVQCQddEVQE，，0001.耗尽层近似下：2102ssascMVeNQQsissaisiMGVVeNdVCQV02102所以020210GsisaisVVeNdV212021042221GisaisasVCeNCeNV1212020212121220210202020000021GisaiiisGasiisiisdGdiiadsaGisdsasiidaiisciiMiiaisiiiGiiGsVdeNdVeNddxVxedNxeNVVVxeNVdexNdQdQVedNBdCVBCCBVV解得即：，；；2.强反型层情形）型时的为阈值电压（开始强反，此时，，开始时，GTfiBTGiBifsVVCQVVCQVV22ffsaiTeNCV241210所以以后，VGVT；近似有：Vs不变；Vs≈2Φf，xd不变，xd≈xdmax电荷面密度。为表面反型沟道中电子所以所以nTGininTfiniBGiniBiiiMnGQVVCQCQVCQCQVCQCQVVQQV2第六章半导体表面及界面特性•6.1半导体表面态•6.2表面电场效应•6.3空间电荷区的进一步分析•6.4金属与半导体接触的物理特性•6.5金属与半导体接触的电流-电压特性•6.6MIS结构的电容-电压特性金属和半导体的功函数•金属功函数•金属功函数随原子序数的递增呈现周期性变化。0mFmWEE•半导体功函数•电子亲和能•故•其中0sFsWEEcEE0[]scFsnWEEEncFsEEE接触电势差金属与n型半导体接触为例•金属和半导体间距离D远大于原子间距•随着D的减小，qWWVVVmssmmssmsmsVVqWW•若D小到可以与原子间距相比较•若WmWs，半导体表面